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progetto strategico: |
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SICUREZZA E QUALITA' |
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NELLE COSTRUZIONI | |
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PIU' ELEVATA LA QUALITA' |
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DELLA PROGETTAZIONE, |
PIU' ELEVATA LA
QUALITA' DEL PRODOTTO |
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Interessate 18 Unitą Operative e realizzati software originali |
INTRODUZIONE
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Nel 1996 fu proposto dallo scrivente all'allora Comitato di Consulenza per le Scienze di Ingegneria ed Architettura del CNR il Progetto Strategico "Sicurezza e Qualità nelle Costruzioni Civili e Meccaniche" approvato poi nel 1997 dal Consiglio di Presidenza, al fine di sollecitare gli studiosi ed il mondo produttivo a indicare soluzioni progettuali per aumentare, rispetto agli approcci ed alle metodologie tradizionali, sicurezza, sostenibilità, durabilità, qualità nelle costruzioni civili ed industriali. Dal resoconto delle ricerche, di seguito riportato, si può affermare che gli scopi fissati sono stati raggiunti. Le tematiche in questione hanno stimolato l'interesse di un centinaio di ricercatori dai quali forte è venuta la richiesta di una prosecuzione del P.S.
Il Progetto, durato tre anni, ha interessato 18 Unità Operative costituite da dipartimenti universitari italiani e da un istituto CNR. Con il mondo industriale si sono avute importanti collaborazioni. Numerosi sono stati i lavori scientifici sull'argomento, presentati a congressi o redatti per riviste, nazionali ed internazionali. Sono stati prodotti software originali o adattamenti di quelli commerciali a casi specifici di studio. In particolare, nel campo del settore dell'ingegneria civile è stato dato un grosso contributo alla predisposizione di norme tecniche per enti ed organismi normatori.
AREA DELLE COSTRUZIONI CIVILI
Al centro dell'interesse degli addetti ai lavori, studiosi, organismi normatori e legislativi, non soltanto italiani, vi è la qualità "globale" nelle costruzioni civili, imperniata su una progettazione il cui requisito determinante è la sicurezza strutturale. Tale tema sta sollecitando ricerche volte alla definizione di specifiche tecniche di riferimento in materia, e, quindi, all'ottimizzazione progettuale delle caratteristiche strutturali di prodotto, per quelle aziende che vogliano avvantaggiarsene al fine di rendersi competitive sul mercato.
A riguardo, la conoscenza della resistenza al fuoco e della durabilità dei materiali e delle strutture diventa sinonimo di qualità.
La resistenza al fuoco (Dipartimento di Analisi e Progettazione Strutturale dell'Università di Napoli "Federico II")
La crescente diffusione dei materiali metallici ed in particolare delle leghe leggere sta suscitando sempre maggiore interesse da parte della comunità scientifica nazionale ed internazionale nei confronti del comportamento delle strutture civili ed industriali in condizioni di temperatura eccezionali. Va osservato che in ambito nazionale gli unici riferimenti legislativi di cui si dispone sono costituiti dal Decreto del Ministero dell'Interno del 1961 "Norme di sicurezza per la protezione contro il fuoco dei fabbricati a struttura in acciaio destinati ad uso civile", dalla Norma UNI del 1989 "Procedimento analitico per valutare la resistenza al fuoco degli elementi costruttivi di acciaio" e dalle recenti "Norme tecniche per la progettazione di costruzioni resistenti al fuoco", pubblicate dal CNR (Bollettino Ufficiale - Parte IV - n. 197/99). In ambito europeo un importante riferimento è costituito dagli Eurocodici:
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EC 1 - Parte 2-2 Carichi di progetto sulle strutture esposte al fuoco
EC 2 - Parte 1-2 Progetto di strutture in cemento armato sottoposte al fuoco
EC 3 - Parte 1-2 Progetto di strutture in acciaio sottoposte al fuoco
EC 9 - Parte 1-2 Progetto di strutture in lega di alluminio sottoposte al fuoco.
Da queste norme si evince che la verifica delle strutture in condizioni d'incendio è essenzialmente basata su due classi di metodologie di analisi, che possono sintetizzarsi come segue:
metodi semplificati, basati su ipotesi semplificative sul comportamento meccanico del materiale, facendo riferimento ad un legame costitutivo del tipo elastico - perfettamente plastico a duttilità infinita. Metodi complessi, basati su raffinate analisi termo-meccaniche, sviluppate mediante programmi di calcolo che utilizzano gli elementi finiti, appositamente concepiti in funzione delle caratteristiche meccaniche del materiale. Ambedue le metodologie di calcolo sono state esaurientemente sviluppate nel corso degli anni per i più comuni materiali da costruzione, quali acciaio e cemento armato. Per contro, tali metodologie di calcolo sono poco affidabili ed oltremodo approssimate nel caso delle strutture in lega d'alluminio.
Nell'ambito di una collaborazione internazionale tra l'Università di Napoli "Federico II" e l'Università di Liège (Belgio), è stato appositamente esteso ed integrato, per consentire l'analisi al fuoco delle strutture in lega d'alluminio, il programma di calcolo SAFIR, che permette l'analisi razionale al fuoco delle strutture di acciaio. Il programma di calcolo elaborato ha consentito analisi parametriche per lo studio dell'effetto dei principali fattori caratterizzanti le leghe di alluminio utilizzate nella corrente pratica costruttiva, vale a dire: incrudimento del materiale di base ed eventuale ridotta capacità deformativa in campo plastico. Le prestazioni strutturali di semplici telai di alluminio sono state confrontate con quelle di analoghi schemi di acciaio. I risultati costituiscono di fatto un primo studio organico nel settore delle leghe di alluminio, lasciando intravedere la possibilità di interessanti e significativi sviluppi futuri.
È stata redatta una monografia che tratta gli aspetti di base della verifica e del progetto al fuoco delle strutture di acciaio. Lo studio esamina le normative nazionali ed internazionali per la determinazione delle azioni di progetto (programma termico) e per la caratterizzazione del materiale alle alte temperature (legami costitutivi). Nella monografia, inoltre, sono passati in rassegna i metodi di verifica convenzionali adoperati dai vigenti codici normativi e si accenna ai sistemi di protezione termica maggiormente adoperati nel campo della carpenteria metallica.
Infine, nel corso della ricerca sono state redatte,
in ambito commissione CNR, le "Norme Tecniche per la progettazione
di costruzioni resistenti al fuoco" (Bollettino Ufficiale CNR - Parte
IV - n. 197/99). La nuova normativa, la quale fa riferimento a tutti i materiali
da costruzione (cemento armato normale e precompresso, acciaio, legno, leghe
d'alluminio, calcestruzzi alleggeriti e murature), disciplina l'utilizzo
dei diversi metodi di calcolo (sperimentale, tabellare, analitico) per la
verifica strutturale in condizioni di incendio.
La durabilità - La durabilità è un parametro di grande importanza ai fini della conservazione e, quindi, della determinazione della sicurezza delle costruzioni civili, come risulta chiaramente da:
- i diffusi lavori di restauro statico per vari ponti di alcune autostrade italiane;
- l'interdizione espressa dal Ministro dei trasporti britannico, almeno per il momento, sui ponti precompressi con cavi interni a fili scorrevoli, per carenza di durabilità.
Una considerazione organica e approfondita del tema, nonostante esistano già studi sporadici notevoli, rappresenta un supporto indispensabile all'attività normativa italiana, pur nella consapevolezza della vasta rosa di questioni, sempre complesse, non di rado destinate a rimanere aperte. Il tema della durabilità è fortemente legato allo sviluppo della normativa tecnica dalla quale dipende lo standard costruttivo del Paese ed in tal senso i risultati delle ricerche in questo ambito dovranno avere un'utile ricaduta sull'aggiornamento della normativa tecnica nazionale e creare il necessario presupposto per il contributo italiano alla normativa internazionale. Pertanto, mediante approcci innovativi, sia di tipo sperimentale sia di tipo teorico e numerico, si è inteso da una parte rispondere alle più urgenti esigenze espresse dal Ministero dei Lavori Pubblici, e dall'altra avviare un tempestivo raccordo fra la normativa nazionale e quella europea.
Con il coordinamento del prof. Franco Angotti, del Dipartimento di Ingegneria Civile dell'Università di Firenze, sono stati affrontati i seguenti aspetti:
Durabilità delle strutture con riferimento all'influenza delle caratteristiche degli attuali acciai da cemento armato (Università di Roma "Tor Vergata" - Prof. Antonio Grimaldi)
Continuando l'attività di studio, già
avviata nell'ambito della Convenzione CNR/Ministero dei Lavori Pubblici,
sulla sicurezza degli elementi costruttivi dei sistemi infrastrutturali
di trasporto, è stata sviluppata una modellazione semplificata del
comportamento di elementi strutturali soggetti a sollecitazioni monotone
di trazione, flessione e pressoflessione, che tiene conto del fenomeno della
fessurazione e del legame di aderenza, e consente di valutare gli effetti
della localizzazione delle deformazioni nell'acciaio, in corrispondenza
delle lesioni. In particolare è stata eseguita un'indagine parametrica
al variare delle caratteristiche degli acciai, dal FeB44K ai nuovi acciai
Tempcore (B400, B500), che sono caratterizzati da un ridotto rapporto tensione
di rottura/tensione di snervamento, da un minore allungamento a rottura
e da tensioni superiori rispetto a quelle nominali, qualità che portano
ad un miglioramento delle caratteristiche locali di resistenza, ma anche
ad una riduzione della duttilità degli elementi strutturali e delle
capacità ultime dell'intera struttura. I risultati ottenuti analiticamente
hanno evidenziato la forte influenza delle caratteristiche meccaniche degli
acciai sulla rotazione locale e sulla duttilità strutturale. È
stata messa a punto un'attrezzatura di prova presso i laboratori delle Università
di Pavia e di Napoli con lo scopo di verificare il modello analitico.
Durabilità inerente a danneggiamento per sollecitazioni a fatica di strutture di cemento armato (c.a.) e cemento armato precompresso (c.a.p.). (Politecnico di Milano - Prof. Francesco Martinez Y Cabrera)
Dopo aver esaminato la normativa nazionale ed europea
(EC1-Part 1, EC2-Part 2), usufruendo della collaborazione delle società
RDB, sono stati realizzati prototipi in scala che simulano solette d'impalcato
per ponti stradali, al fine di eseguire prove sperimentali di fatica a flessione
e taglio e, quindi, giungere all'approccio più realistico per la
definizione della resistenza a fatica delle strutture in c.a. e c.a.p. Si
è verificato che la legge di Model Code per la determinazione del
parametro di danno è applicabile quando i delta (l'ampiezza) di sollecitazione
sono ad escursione costante, mentre non tiene conto dell'effetto benefico
di allenamento del campione di prova quando i cicli ripetuti sono a delta
crescente. Tale risultato va, comunque, adeguatamente confermato con altre
prove in programma.
Durabilità inerente a danneggiamento per azione chimica e ambientale (Politecnico di Torino - Prof. Luigi Goffi)
Dalla permeabilità dei calcestruzzi dipende
la permeazione di agenti aggressivi all'interno della massa cementizia.
Mediante misure non distruttive si è determinata la permeabilità
in sito prevedendo il comportamento nel tempo del calcestruzzo in rapporto
alle azioni ambientali. In una prima fase sono stati testati con il metodo
Figg numerosi provini di calcestruzzo di buona qualità (C = 50) e
di mediocre-scadente qualità (C = 20). Si è dimostrato che
questo metodo è inadeguato per i calcestruzzi mediocri, mentre il
metodo ISMES non è applicabile a calcestruzzi molto compatti. I risultati
ottenuti ed i confronti realizzati suggeriscono di sostituire la più
diffusa prova Figg con la prova ISMES, opportunamente modificata, in modo
tale che essa sia applicabile a tutti i calcestruzzi, compresi quelli di
qualità.
Durabilità inerente a danneggiamento per difetti costruttivi (Politecnico di Milano - Prof. Antonio Migliacci)
Sono state fornite indicazioni operative rivolte
ai tecnici, per i provvedimenti necessari, attraverso schede di "difettologia"
nelle quali, per ogni tipo di difetto considerato, sono stati evidenziati
i seguenti aspetti: schema grafico del difetto, descrizione del difetto,
conseguenze del difetto, cause del difetto, prevenzione del difetto, metodologie
per la diagnosi. Esse sono organizzate secondo due classi, difetti del materiale
(18 tipi) e difetti delle strutture (10 tipi). Le schede costituiscono un
manuale atto ad individuare i principali difetti e danneggiamenti ed utile
a definire linee guida per interventi di "riabilitazione" in funzione
del tipo di difetto; tali interventi sono finalizzati alla sicurezza, al
servizio ed alla durata delle costruzioni civili.
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Durabilità inerente a danneggiamento per deformazioni differite (Università di Bologna - Prof. Claudio Ceccoli)
Per conoscere meglio e prevenire il fenomeno del danneggiamento, dovuto a deformazioni differite nel tempo (per viscosità o ritiro) di elementi di calcestruzzo (cls) soggetti a livelli tensionali elevati e di lunga durata, sono stati compiuti:
- uno studio comparativo dei vari modelli proposti in letteratura nell'ambito della visco-elasticità lineare, con particolare riferimento alle proposte formulate in ambito CEB ed ACI;
- lo sviluppo di modelli di danneggiamento per il cls soggetto a carichi di breve durata.
Il set-up sperimentale ha utilizzato la tecnica ESPI per la misura degli spostamenti trasversali, estensimetri per la misura di quelli in direzione assiale. È stata approntata una modellazione teorica del fenomeno di interazione tra deformazioni viscose e danneggiamento in presenza di elevati stati tensionali persistenti nel tempo, con il fine di:
- individuare le classi di tipologie strutturali per le quali le deformazioni differite possono diminuire il livello di sicurezza o la funzionalità in esercizio;
- segnalare i casi in cui il potenziale danneggiamento correlato a tali deformazioni possa essere causa di esaltazione del fenomeno delle deformazioni differite;
- mettere a punto dei criteri di calcolo semplificati (nonché di verificare l'attendibilità di quelli esistenti definiti in ambito viscoelastico lineare) che consentano al progettista strutturale di valutare facilmente l'entità delle deformazioni differite e di individuare i casi nei quali l'importanza del fenomeno richieda una valutazione più accurata e, quindi, l'utilizzo di formulazioni più complesse. (continua)